PS検層について

PS検層法

PS検層はボーリング孔を用いて地盤中を伝播する弾性波動の伝播時間を測定して、地盤のP波・S波速度を求める調査法です。測定によって求められたP波・S波速度の分布状況から、地盤の鉛直方向への層区分を行い、各層の強度や耐震設計に必要な動的地盤特性を知ることができます。P波・S波の速度は、地盤が良いと速くなり、悪いと遅くなります。

岩盤の調査の場合

トンネル、ダム、橋梁、斜面などを対象として岩盤強度や岩盤の風化や破砕程度の推定を行い、地山評価を行うことを目的としてP波速度のみを対象とした速度検層が多用されます。しかし、原子力発電所や長大橋などの重要な構造物の基礎岩盤の調査においては耐震設計のためにP波速度とS波速度の両方を求めるPS検層が実施され、動的地盤特性などを求めます。

岩の分類表(国土交通省)

岩の分類表(国土交通省)

土質地盤の調査の場合

P波速度とS波速度の両方を求めるPS検層が標準的な速度検層法として実施されています。
P波は水中を伝播するので地下水位以深にあって、Vp=1500m/sec(水中を伝播するP波の速度値)以下の土質地盤では、地盤そのものの速度を示さなくなります。一方S波は水中を伝播できないため、地下水位以深でも水の影響を受けません。

一般の地盤(未固結堆積層)では、地下水で飽和してしまえば、P波速度の変化はあまりなくなるが、S波速度は地下水の影響を直接には受けず、地層ごとの変化が大きい。したがって低速度層がはさまれる場合が多い。弱層検出の上ではS波速度を求めることが重要。

したがって土質地盤ではS波速度によって地盤を区分することが多いと言えます。S波速度とN値の相関性が高いことは一般的に知られており、今井の式と言われる相関式は良く用いられています。

未固結層のS波速度とN値の関係(今井ほか、1975)

未固結層のS波速度とN値の関係(今井ほか、1975)

測定方法

PS検層には2つの測定方法があります。1つは地表発振・孔中受振で測定をするダウンホール式PS検層で、板たたき法とも呼ばれる方法、もう1つは孔中発振・孔中受振で測定を行なうサスペンション式PS検層です。

【ダウンホール式PS検層】

【ダウンホール式PS検層】

  • 【ダウンホール式PS検層】
  • 【ダウンホール式PS検層】

【サスペンション式PS検層】

【サスペンション式PS検層】

  • 【サスペンション式PS検層】
  • 【サスペンション式PS検層】
ダウンホール式PS検層(板たたき法)

ダウンホール式PS検層(板たたき法)

ダウンホール式PS検層は、ボーリング孔内に3成分受振器(上下方向1成分、水平方向2成分)を設置(圧着)した状態で、地表面において弾性波動(P波、S波)を発生させ、孔中受振器でその波動を捉え測定器に収録します。

地表面になんらかの衝撃を与えると、地盤には圧縮変形とせん断変形またはねじり変形が生じます。圧縮変形は縦波(粗密波)として地中を伝わります。これがP波です。せん断あるいはねじり変形は横波(せん断波、S波)として伝わります。これがS波です。縦波(P波)は横波(S波)より伝播速度が速く受振点に最初に到達するので、縦波はP波(Primary Wave)、横波はS波(Secondary Wave)と呼ばれます。

【解析方法】

測定器に収録された深度毎のP波・S波波形から、起振点で発生した波動が地盤を伝播して受振点に到達するまでの時間(初動到達時間)を読み取り、縦軸に深度(m)、横軸に時間(msec)をとった座標に、受振点深度毎の初動到達時間をプロットします。ボーリング柱状図等を参考にして、プロットした点が同一の傾きをもつ区間を求め、近似線を引いて走時曲線を作成します。各区間の近似線の傾きがP波・S波それぞれの伝播速度になります。

P波波形 S波波形 走時曲線

P波波形

S波波形
走時曲線

室内試験あるいは密度検層から得られた地盤の密度値を用いて、地盤の動的弾性定数を算出します。

解析方法 計算式

解析方法 表

【調査使用機器】

調査使用機器

【調査対象(どこで使われているか)】

  • ビル、道路、鉄道、橋梁、鉄塔など構造物基礎地盤の地盤構造や動的特性の把握に利用
  • 常時微動測定とあわせて実施することにより、さらに詳細な地震時の地盤挙動を推定
  • 地下鉄、上下水溝、さまざまなケーブル類の共同溝やトンネルなどの地下構造物の施工に際し、地表面からの探査だけでは精度がそれほど高くないために、ボーリングで所定深度まで掘削し、地下構造物を作る深度での地盤の物性値を直接PS検層で把握
  • トンネル切羽前方探査、天盤、側壁の緩み域の把握
  • 地盤のS波速度とその分布状況を軟弱地盤において、地震時に液状化するかどうかの判定材料
  • 基礎杭の根入れ深度調査、地盤改良効果の判定等に使用

【事例紹介】

  • 調査場所: 東京都大田区
  • 調査目的: 橋脚基礎の耐震補強を行うための基礎地盤のS波速度把握
  • 調査孔深度: 36m

事例紹介

構造物の耐震設計を行うにあたっては、基礎地盤の耐震設計上の工学的基盤(耐震設計上振動するとみなす地盤の下にあって、十分な層厚を持ち十分堅固な地盤の上面)の深度をS波速度によって定めなければなりません。

工学的基盤とみなせる地盤は、平成12年の建設省告示による超高層建築物の構造計算での工学的基盤のS波速度は400m/sec以上と定められており、また日本道路協会による道路橋示方書では300m/sec以上とされています。

橋脚近傍に掘削されたボーリング孔において測定を実施しました。地質状況は、表層には深度6.9mまでN値が5以下程度の埋土(砂質土、砂混じりシルト)が分布し、深度18.9mまでN値10~30程度の細砂、砂質シルトが分布、深度30.5mまでにN値30~50 程度の粘土混じり細砂、シルト質細砂が分布し、深度30.5m以下では安定的にN値50以上の細砂が孔底(36m)まで確認されています。

PS検層では深度30.5mから分布しているN値50以上の細砂のS波速度が安定的に300m/sec以上を示すかを確認するとともに、地表面から深度30.5mまでのS波速度の分布状況を把握しました。

P波波形
P波波形
S波波形
S波波形
走時曲線
走時曲線
PS検層結果図
PS検層結果図

事例紹介

PS検層実施例

【ダウンホール式PS検層】

  • 橋脚基礎地盤 橋脚基礎地盤
  • 水路トンネルルート 水路トンネルルート
  • マンション建設予定地地盤 マンション建設予定地地盤
  • トンネル切羽前方探査 トンネル切羽前方探査
  • 放水路トンネル天盤裏緩み領域確認 放水路トンネル天盤裏緩み領域確認
サスペンション式PS検層

サスペンション式PS検層

サスペンション式PS検層は、漂遊型の発振器1つと受振器2つを一連のプローブに組み込み、ボーリング孔内の各深度で区間(1m)伝播時間を測定する検層です。

発振と受振が一体化したプローブを用いるため、ダウンホール方式では不可能であった海上や水上からのPS検層が可能です。

測定によって得られる地盤情報はダウンホール式PS検層と同じで、地盤のP波速度、S波速度を求めることができます。孔内発振、孔内受振ですので測定の深度が深い場合でも、十分に大きな波動を受振することが可能です。

発振周波数がダウンホール式に比べて高く、地盤の所定位置の1m区間の速度値を測定できるため1m区間ごとの速度値に着目した場合、ダウンホール式よりも精度が高いと言えます。(地質の違いなどによるある区間の平均速度値としてみた場合にはダウンホール式もサスペンション式もほぼ同程度の精度を持っています)

【解析方法】

収録された記録波形を室内に持ち帰り、P波とS波に分けて読み取り作業を行います。2つある受振器は1mの間隔を持っており、上方と下方の受振波形を並べ、対応する位相の到来時間を読み取ります。
その時間差から2点間の区間伝播速度値を算出します。

1m間隔に配置された上下2つの受振器の中間を「測定深度」としています。従って、算出されるP波速度値及びS波速度値は、測定深度の上下0.5m間の平均値を意味しています。

P波波形 S波波形 結果図

P波波形

S波波形
結果図

PS検層の結果から、P波速度及びS波速度が判明すると、ダウンホール式PS検層と同様に、各地層の動的弾性定数を算出します。その算出式は次の通りです。

解析方法

【調査使用機器】

調査使用機器

【調査対象(どこで使われているか)】

  • ビル、道路、鉄道、橋梁、鉄塔など構造物基礎地盤の地盤構造や動的特性の把握に利用
  • 常時微動測定とあわせて実施することにより、さらに詳細な地震時の地盤挙動を推定
  • 軟弱地盤の液状化判定に必要な、地盤のS波速度とその分布状況を把握
  • 地表からの探査が困難な大深度での地盤の物性値を直接PS検層で把握
  • 海上ボーリング、水上ボーリング、地表面がコンクリートに覆われている場所など、地表面からの発振が不可能な場所でのPS検層の実施が可能
  • スチールケーシング内での測定は不可能、裸孔での測定のみ可能
  • ボーリング孔内水が必要、孔内水の無い区間での測定は不可能

【事例紹介】

調査場所:
埼玉県さいたま市
調査目的:
工場建物の耐震設計を行うための基礎地盤のS波速度把握
調査孔深度:
46m

事例紹介01

構造物の耐震設計を行うにあたっては、基礎地盤の耐震 設計上の工学的基盤(耐震設計上振動するとみなす地盤の 下にあって、十分な層厚を持ち十分堅固な地盤の上面の 深度をS波速度によって定めなければなりません。

工学的基盤とみなせる地盤は、平成12年の建設省告示に よる超高層建築物の構造計算での工学的基盤のS波速度は 400m/sec以上と定められており、また日本道路協会による 道路橋示方書では300m/sec以上とされています。

敷地内に掘削されたボーリング孔は、深度46mで、地表から深度19.5mまではN値20以下の細砂、シルト、砂混じりシルトが分布し、深度19.5~28.8mの区間ではN値が5以下と低い粘土質シルトが分布しており、深度28.8mからはN値50以上の砂礫、細砂が深度40.8mまで分布しています。しかしながら深度40.8mを過ぎるとシルト質細砂やシルト質粘土が出現し、N値が10~38と低い値を示しています。

PS検層によってS波速度の分布を把握し、特にN値50以上の砂礫層、細砂層のS波速度、深度40.8m以深のシルト質粘土およびシルト質細砂のS波速度がVs=300m/sec以上となっているかを確認する目的で実施しました。このボーリング孔は地表から深度15mまでスチールケーシングが挿入してあったため、サスペンション式PS検層は深度16m以深で実施し、地表から深度15mまでのケーシング挿入区間はダウンホール式PS検層を実施し、全区間のP波速度、S波速度を測定しました。

  • 事例紹介02
  • 事例紹介03
  • 事例紹介04
  • 事例紹介05

事例紹介06

※各層の密度値は室内試験結果による

PS検層実施例

【サスペンション式PS検層】

  • 航空機滑走路基礎地盤 航空機滑走路基礎地盤
  • 港湾構造物基礎地盤(海上ボーリング) 港湾構造物基礎地盤(海上ボーリング)
  • ビル基礎地盤(地下室のある建物1階部) ビル基礎地盤(地下室のある建物1階部)
  • 山地トンネルルート 山地トンネルルート
  • 工場立替予定地地盤 工場立替予定地地盤
  • マンション建設予定地地盤 マンション建設予定地地盤
耐震設計とPS検層

自然地震による地震動は、一般にP波よりもS波の振幅が大きいことから構造物の耐震設計を行う上でS波速度は重要になってきます。

建物の耐震設計とは、その建物の建つ地盤深くの岩盤から入力される地震動が地表に上昇してくる過程でどれだけ増幅されるかを計算し、この揺れが建物に及ぼす影響をできるだけ小さく押さえるための設計と言えます。震源から伝播してきた地震波は、構造物の地下深部にある地震基盤から地上に向けて伝播していき、表層地盤の基礎となる工学的基盤に達した地震波はその上にある洪積、沖積の未固結層に入りさらに地上へ向かい、地表面に到達するとそこからまた地中に向かって下降し、工学的基盤まで達した波はそこで反射し、また地表に向かいます。これを地震波の重複反射といいます。

この重複反射によって地震動の大きさが増幅されます。増幅された地震動は、時に地表にある構造物に大きな被害をもたらしたり、砂地盤を液状化させたりします。地震動の増幅の度合いは工学的基盤より上の未固結層のS波速度と層厚によって決まります。よって耐震設計を行なうためには対象地盤のS波速度構造を正確に知ることが大変重要になります。

【動的弾性定数】

P波速度とS波速度の分布を求め、それに密度分布の情報を与えることにより、地盤強度の推定や耐震設計に必要な地盤の動的弾性定数(ポアソン比、ヤング率、剛性率)を得ることができる。
P波・S波速度の分布状況から各層の動的な地盤特性を求めるには、以下の式を用います。

【動的弾性定数】

【地盤種別】

PS検層によって地盤のS波速度の分布を把握することによって工学的基盤の深度が求まり、工学的基盤より浅部の表層地盤モデルを作成することができます。表層地盤モデルから耐震設計上の地盤種別を求めます。
耐震設計上の地盤種別については道路橋示方書に以下のように示されています。

耐震設計上の地盤種別は原則として下式で算出される地盤の特性値TG(表層地盤の卓越周期)をもとに、下表により区分するものとする。

【地盤種別】

地盤の特性値TG (sec)は、工作的基盤層より上にある地盤の卓越周期を求めたもので、地盤の固有周期が長い地盤は軟らかで、固有周期が短い地盤は固い地盤であることを表しています。概略の目安としては、

Ⅰ種地盤:良好な洪積層および岩盤
Ⅱ種地盤:Ⅰ種地盤、Ⅲ種地盤のいずれにも属さない洪積地盤および沖積地盤
Ⅲ種地盤:沖積地盤のうち軟弱地盤

とされています。

※工学的基盤とは、道路橋示方書ではVs=300m/secとありますが、平成12年建設省第1461号において「地下深所にあって十分な層厚と剛性を有し、せん断速度が約400m/sec以上の地盤をいう」と定められています。また、原子力発電所ではVs=700m/sec以上とされています。

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